Исследователи из Университета Линчепинга (LiU), Швеция, создали искусственный органический нейрон, который точно имитирует характеристики биологических нервных клеток. Этот искусственный нейрон может стимулировать естественные нервы, что делает его многообещающей технологией для различных медицинских процедур в будущем.

Работа по разработке все более функциональных искусственных нервных клеток продолжается в Лаборатории органической электроники LOE. В 2022 году группа ученых во главе с доцентом Симоной Фабиано продемонстрировала, как искусственный органический нейрон можно интегрировать в живое плотоядное растение, чтобы управлять открытием и закрытием его пасти. Эта синтетическая нервная клетка соответствовала двум из 20 характеристик, отличающих ее от биологической нервной клетки.

В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials , те же исследователи из LiU разработали новую искусственную нервную клетку, называемую органическим электрохимическим нейроном на основе проводимости, или c-OECN, которая точно имитирует 15 из 20 нейронных особенностей, характерных для биологических процессов. нервных клеток, что делает их работу более похожей на естественные нервные клетки.

«Одной из ключевых проблем при создании искусственных нейронов, которые эффективно имитируют настоящие биологические нейроны, является способность включать ионную модуляцию. Традиционные искусственные нейроны, сделанные из кремния, могут эмулировать многие нейронные функции, но не могут общаться через ионы. Напротив, c-OECN используют ионы для продемонстрировать несколько ключевых особенностей реальных биологических нейронов», — говорит Симоне Фабиано, главный исследователь группы органической наноэлектроники в LOE.

В 2018 году эта исследовательская группа в Университете Линчепинга одной из первых разработала органические электрохимические транзисторы на основе проводящих полимеров n-типа , материалов, способных проводить отрицательные заряды. Это позволило построить комплементарные органические электрохимические схемы, пригодные для печати. С тех пор группа работает над оптимизацией этих транзисторов, чтобы их можно было печатать в печатном станке на тонкой пластиковой фольге. В результате теперь можно печатать тысячи транзисторов на гибкой подложке и использовать их для разработки искусственных нервных клеток.

В недавно разработанном искусственном нейроне ионы используются для управления потоком электронного тока через проводящий полимер n-типа, что приводит к скачкам напряжения устройства. Этот процесс подобен тому, который происходит в биологических нервных клетках. Уникальный материал в искусственной нервной клетке также позволяет увеличивать и уменьшать ток по почти идеальной колоколообразной кривой, которая напоминает активацию и инактивацию ионных каналов натрия, встречающихся в биологии.

«Несколько других полимеров демонстрируют такое поведение, но только жесткие полимеры устойчивы к беспорядку, что обеспечивает стабильную работу устройства», — говорит Симоне Фабиано.

В экспериментах, проведенных в сотрудничестве с Каролинским институтом (KI), новые нейроны c-OECN были подключены к блуждающему нерву мышей. Результаты показывают, что искусственный нейрон может стимулировать нервы мышей, вызывая изменение их частоты сердечных сокращений на 4,5%. Тот факт, что искусственный нейрон может стимулировать сам блуждающий нерв, может в долгосрочной перспективе проложить путь к важным применениям в различных формах лечения. В целом преимущество органических полупроводников состоит в том, что они биосовместимы, мягки и податливы, а блуждающий нерв играет ключевую роль, например, в иммунной системе организма и обмене веществ.

Следующим шагом исследователей станет снижение энергопотребления искусственных нейронов, которое все еще намного выше, чем у нервных клеток человека. Предстоит еще многое сделать, чтобы искусственно воспроизвести природу.

«Мы еще многого не понимаем в человеческом мозге и нервных клетках. На самом деле, мы не знаем, как нервная клетка использует многие из этих 15 продемонстрированных функций. Имитация нервных клеток может позволить нам понять мозг лучше и создавать схемы, способные выполнять интеллектуальные задачи. У нас впереди долгий путь, но это исследование — хорошее начало», — говорит Падинхаре Чолаккал Харикеш, постдоктор и главный автор научной статьи.